(57)【要約】【課題】ガラス基板中に含まれる金属元素がゲート絶縁膜または酸化物半導体膜に拡散されるのを抑制することを課題とする。【解決手段】ガラス基板１０２と、ガラス基板１０２上に形成された金属酸化物からなる下地絶縁膜１０４と、下地絶縁膜１０４上に形成されたゲート電極１０６と、ゲート電極１０６上に形成されたゲート絶縁膜１０８と、ゲート絶縁膜１０８上に形成され、ゲート電極１０６と重畳する位置に設けられた酸化物半導体膜１１０と、酸化物半導体膜１１０と電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂと、を有し、下地絶縁膜１０４の表面から３ｎｍ以下の領域において、ガラス基板１０２中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置である。【選択図】図１
2013183001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板と、
前記ガラス基板上に形成され、酸化物半導体膜を有するトランジスタと、
前記酸化物半導体膜と前記ガラス基板との間に形成された金属酸化物からなる絶縁膜と、を有し、
前記絶縁膜の表面から３ｎｍ以下の領域において、前記ガラス基板中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ガラス基板と、
前記ガラス基板上に形成された金属酸化物からなる下地絶縁膜と、
前記下地絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記ゲート電極と重畳する位置に設けられた酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極と、を有し、
前記下地絶縁膜の表面から３ｎｍ以下の領域において、前記ガラス基板中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
ガラス基板と、
前記ガラス基板上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に形成された金属酸化物からなる第１のゲート絶縁膜と、
前記第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート絶縁膜と組成が異なる第２のゲート絶縁膜と、
前記第２のゲート絶縁膜上に形成され、前記ゲート電極と重畳する位置に設けられた酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極と、を有し、
前記第１のゲート絶縁膜の表面から３ｎｍ以下の領域において、前記ガラス基板中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記酸化物半導体膜はチャネル領域を有しており、
前記酸化物半導体膜上には、前記チャネル領域上に位置する酸化物絶縁膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項において、
前記金属酸化物は酸化アルミニウムであり、
前記酸化アルミニウムの密度は３．２ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記酸化アルミニウムの水の放出量は１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項５または６において、
前記酸化アルミニウムの水素の放出量は１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項において、
前記酸化物半導体膜は、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、及びスズ酸化物の群から選択された少なくとも一つの酸化物を含む膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項において、
前記酸化物半導体膜は、結晶部を含み、
前記結晶部は、ｃ軸が前記酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体を用いた半導体装置に関する。なお、本明細書において、半導体装置とは、半導体素子自体または半導体素子を含むものをいい、このような半導体素子として、例えばトランジスタ（薄膜トランジスタなど）が挙げられる。また、液晶表示装置などの表示装置も半導体装置に含まれる。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等の平板に形成される薄膜トランジスタは、アモルファスシリコン、多結晶シリコンによって作製されている。アモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタは、電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化に対応することができ、一方、結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタは電界効果移動度が高いものの、レーザアニール等の結晶化工程が必要であり、ガラス基板の大面積化には必ずしも適応しないといった特性を有している。
【０００３】
これに対し、酸化物半導体を用いて薄膜トランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば、酸化物半導体膜として酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いて薄膜トランジスタを作製し、画像表示装置のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献１及び特許文献２で開示されている。
【０００４】
このような酸化物半導体の半導体特性は、酸化物半導体に含まれる酸素濃度に大きく影響される。そのため、酸化物半導体の特性変動を抑制するためには、酸化物半導体の酸化還元反応を抑制し、酸素濃度を維持することが重要となる。そこで、酸化物半導体上に珪素を主成分とした酸化膜や窒化膜を用いて水分が酸化物半導体へ混入することを防止していた。
【０００５】
しかしながら、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜では、水分の酸化物半導体への混入を十分に防止することは困難であった。また、水分の透過を防ぐために、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜の膜厚を厚くすると、応力が大きくなり、クラック（亀裂）が入りやすくなってしまう。
【０００６】
また、水分に加え、アルカリ金属（Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎａ等）やアルカリ土類金属（Ｃａ、Ｍｇ等）や他の金属元素などの不純物が酸化物半導体に拡散すると、酸化物半導体の半導体特性が変化してしまうという問題があった（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−０９６０５５号公報
【特許文献３】特開２０１０−１３５７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一態様は、ガラス基板中に含まれる金属元素がゲート絶縁膜または酸化物半導体膜に拡散されるのを抑制することを課題とする。また、本発明の一態様は、ガラス基板中に含まれる水、水素、アルカリ金属のような不純物がゲート絶縁膜または酸化物半導体膜に拡散されるのを抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成され、酸化物半導体膜を有するトランジスタと、前記酸化物半導体膜と前記ガラス基板との間に形成された金属酸化物からなる絶縁膜と、を有し、前記絶縁膜の表面から３ｎｍ以下の領域において、前記ガラス基板中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置である。
【００１０】
上記本発明の一態様によれば、絶縁膜の表面から３ｎｍ以下の領域において、ガラス基板中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることにより、ガラス基板中に含まれる金属元素が酸化物半導体膜に拡散されるのを抑制することができる。
【００１１】
本発明の一態様は、ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成された金属酸化物からなる下地絶縁膜と、前記下地絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記ゲート電極と重畳する位置に設けられた酸化物半導体膜と、前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極と、を有し、前記下地絶縁膜の表面から３ｎｍ以下の領域において、前記ガラス基板中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置である。
【００１２】
本発明の一態様は、ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極上に形成された金属酸化物からなる第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート絶縁膜と組成が異なる第２のゲート絶縁膜と、前記第２のゲート絶縁膜上に形成され、前記ゲート電極と重畳する位置に設けられた酸化物半導体膜と、前記酸化物半導体膜と電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極と、を有し、前記第１のゲート絶縁膜の表面から３ｎｍ以下の領域において、前記ガラス基板中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置である。
【００１３】
また、本発明の一態様において、前記酸化物半導体膜はチャネル領域を有しており、前記酸化物半導体膜上には、前記チャネル領域上に位置する酸化物絶縁膜が形成されているとよい。
【００１４】
また、本発明の一態様において、前記金属酸化物は酸化アルミニウムであり、前記酸化アルミニウムの密度は３．２ｇ／ｃｍ３以上であるとよい。
【００１５】
また、本発明の一態様において、前記酸化アルミニウムの水の放出量は１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるとよい。
【００１６】
また、本発明の一態様において、前記酸化アルミニウムの水素の放出量は１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるとよい。
【００１７】
また、本発明の一態様において、前記酸化物半導体膜は、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、及びスズ酸化物の群から選択された少なくとも一つの酸化物を含む膜であるとよい。
【００１８】
また、本発明の一態様において、前記酸化物半導体膜は、結晶部を含み、前記結晶部は、ｃ軸が前記酸化物半導体膜の被形成面の法線ベクトルに平行な方向に揃うとよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の一態様を適用することで、ガラス基板中に含まれる金属元素がゲート絶縁膜または酸化物半導体膜に拡散されるのを抑制することができる。また、本発明の一態様を適用することで、ガラス基板中に含まれる水、水素、アルカリ金属のような不純物がゲート絶縁膜または酸化物半導体膜に拡散されるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（Ａ）は本発明の一態様に係る半導体装置を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＸ１−Ｙ１に沿った断面図、（Ｃ）は本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は図１（Ｂ）に示す半導体装置の作製方法を説明する断面図。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は図１（Ｂ）に示す半導体装置の作製方法を説明する断面図。
【図４】（Ａ）は本発明の一態様に係る半導体装置を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＸ２−Ｙ２線に沿った断面図、（Ｃ）は（Ｂ）に示す半導体装置の変形例を示す断面図。
【図５】（Ａ）は本発明の一態様に係る半導体装置を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＸ３−Ｙ３線に沿った断面図、（Ｃ）は（Ｂ）に示す半導体装置の変形例を示す断面図。
【図６】（Ａ）は実施例１の試料１を示す断面図、（Ｂ）は実施例１の試料２を示す断面図。
【図７】試料１及び試料２の酸化アルミニウム膜の密度を測定した結果を示す図。
【図８】（Ａ）は実施例１の試料３を示す断面図、（Ｂ）は実施例１の試料４を示す断面図。
【図９】試料３の膜中の水素元素及び重水素元素の濃度を測定した結果を示す図。
【図１０】試料４の膜中の水素元素及び重水素元素の濃度を測定した結果を示す図。
【図１１】（Ａ），（Ｂ）は実施例２の試料５のＴＤＳ測定結果を示す図、（Ｃ），（Ｄ）は実施例２の試料６のＴＤＳ測定結果を示す図、（Ｅ），（Ｆ）は実施例２の試料７のＴＤＳ測定結果を示す図。
【図１２】（Ａ）は実施例３のトランジスタ１８０を示す構造図、（Ｂ）は比較例のトランジスタ１９０を示す構造図。
【図１３】（Ａ）は実施例３のトランジスタ１８０を条件１で試験を行った後のトランジスタ特性を示す図、（Ｂ）はトランジスタ１８０を条件２で試験を行った後のトランジスタ特性を示す図。
【図１４】（Ａ）は実施例３のトランジスタ１８０を条件３で試験を行った後のトランジスタ特性を示す図、（Ｂ）はトランジスタ１８０を条件４で試験を行った後のトランジスタ特性を示す図。
【図１５】（Ａ）は比較例のトランジスタ１９０を条件１で試験を行った後のトランジスタ特性を示す図、（Ｂ）は比較例のトランジスタ１９０を条件２で試験を行った後のトランジスタ特性を示す図。
【図１６】（Ａ）は比較例のトランジスタ１９０を条件３で試験を行った後のトランジスタ特性を示す図、（Ｂ）は比較例のトランジスタ１９０を条件４で試験を行った後のトランジスタ特性を示す図。
【図１７】（Ａ）は実施例４の試料８を示す断面図、（Ｂ）は実施例４の試料９を示す断面図。
【図１８】（Ａ）は試料８の膜中のナトリウムの濃度を測定した結果を示す図、（Ｂ）は試料９の膜中のナトリウムの濃度を測定した結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００２２】
＜実施の形態１：ＣＳＣ構造（チャネルストップコンタクト型）＞
図１（Ａ）は、本発明の一態様に係る半導体装置を示す平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＸ１−Ｙ１線に沿った断面図である。この半導体装置はボトムゲート構造（逆スタガ型構造ともいう）のトランジスタ１５０を有している。なお、図１（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１５０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁膜１０８など）を省略して図示している。
【００２３】
図１（Ｂ）に示すように、基板１０２上には金属酸化物からなる下地絶縁膜１０４が形成されている。下地絶縁膜１０４の表面から３ｎｍ以下の領域において、基板１０２中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００２４】
下地絶縁膜１０４上にはゲート電極１０６が形成されている。下地絶縁膜１０４及びゲート電極１０６の上にはゲート絶縁膜１０８が形成されており、ゲート絶縁膜１０８上にはチャネル領域を有する島状の酸化物半導体膜１１０が形成されている。酸化物半導体膜１１０は、ゲート絶縁膜１０８と接し、ゲート電極１０６と重畳する位置に設けられている。酸化物半導体膜１１０上及びゲート絶縁膜１０８上には保護絶縁膜１１２が設けられており、保護絶縁膜１１２は少なくともチャネル領域に対応する領域に位置している。保護絶縁膜１１２上及び酸化物半導体膜１１０上にはソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂが形成されており、ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂは酸化物半導体膜１１０と電気的に接続されている。このように基板１０２上にはボトムゲート構造のトランジスタ１５０が形成されている。
【００２５】
トランジスタ１５０上には、さらに層間絶縁膜１１６、及び平坦化絶縁膜１１８が設けられる構成としてもよい。詳細には、保護絶縁膜１１２、ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂの上には層間絶縁膜１１６が設けられており、層間絶縁膜１１６上には平坦化絶縁膜１１８が設けられている。
【００２６】
本実施の形態によれば、ゲート絶縁膜１０８及び酸化物半導体膜１１０と基板１０２との間に金属酸化物からなる下地絶縁膜１０４を形成しているため、基板１０２中に含まれる不純物（水、水素、アルカリ金属など）が、ゲート絶縁膜１０８または酸化物半導体膜１１０へ拡散されるのを抑制することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００２７】
図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示す半導体装置の変形例を示す断面図であり、図１（Ｂ）と同一部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。なお、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示すＸ１−Ｙ１線に沿った断面図に相当する。
【００２８】
図１（Ｃ）に示すように、基板１０２上にはゲート電極１０６が形成されており、ゲート電極１０６及び基板１０２の上には金属酸化物からなる第１のゲート絶縁膜１０８ａが形成されている。第１のゲート絶縁膜１０８ａの表面から３ｎｍ以下の領域において、基板１０２中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００２９】
第１のゲート絶縁膜１０８ａ上には、第１のゲート絶縁膜１０８ａと組成が異なる第２のゲート絶縁膜１０８ｂが形成されている。第１のゲート絶縁膜１０８ａと第２のゲート絶縁膜１０８ｂとによりゲート絶縁膜１０８が構成されており、ゲート絶縁膜１０８上には島状の酸化物半導体膜１１０が形成されている。
【００３０】
本変形例においても本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
さらに、本変形例では、第２のゲート絶縁膜１０８ｂ及び酸化物半導体膜１１０と、基板１０２及びゲート電極１０６との間に金属酸化物からなる第１のゲート絶縁膜１０８ａを形成しているため、ゲート電極１０６中に含まれる金属（例えば、Ｃｕ）が、第２のゲート絶縁膜１０８ｂまたは酸化物半導体膜１１０へ拡散されるのを抑制することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００３２】
［酸化物半導体膜１１０の詳細な説明］
酸化物半導体膜１１０は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜であることが好ましい。
【００３３】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動の低下が抑制される。
【００３４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書等において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【００３５】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。
【００３６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。
【００３７】
なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
【００３８】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射によるトランジスタの電気特性の変動を低減することが可能である。また、しきい値の変動、及びバラツキを抑制できる。よって、当該トランジスタは信頼性が高い。
【００３９】
また、結晶部または結晶性を有する酸化物半導体膜では、よりバルク内欠陥を低減することができる。さらに、結晶部または結晶性を有する酸化物半導体膜表面の平坦性を高めることによって、該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、アモルファス状態の酸化物半導体膜を用いたトランジスタ以上の電界効果移動度を得ることができる。酸化物半導体膜表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体膜を形成することが好ましく、具体的には、平坦面粗さ（Ｒａ）が０．１５ｎｍ以下、好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。
【００４０】
なお、Ｒａは、日本工業規格ＪＩＳ  Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」と表現でき、以下の式にて定義される。
【００４１】
【数１】
2013183001.tif 000003
【００４２】
なお、上記において、Ｓ０は、測定面（座標（ｘ１，ｙ１）（ｘ１，ｙ２）（ｘ２，ｙ１）（ｘ２，ｙ２）で表される４点によって囲まれる長方形の領域）の面積を指し、Ｚ０は測定面の平均高さを指す。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて評価可能である。
【００４３】
また、酸化物半導体膜は、シリコンの１．１ｅＶよりも大きい禁制帯幅を持つ酸化物半導体を適用することが好ましく、例えば、禁制帯幅が３．１５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、禁制帯幅が約３．０ｅＶである酸化インジウム、禁制帯幅が約３．０ｅＶであるインジウム錫酸化物、禁制帯幅が約３．３ｅＶであるインジウムガリウム酸化物、禁制帯幅が約２．７ｅＶであるインジウム亜鉛酸化物、禁制帯幅が約３．３ｅＶである酸化錫、禁制帯幅が約３．３７ｅＶである酸化亜鉛などを好ましく用いることができる。このような材料を用いることにより、トランジスタのオフ電流を極めて低く保つことが可能である。
【００４４】
また、酸化物半導体膜に用いる酸化物半導体としては、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びガリウム（Ｇａ）の群から選ばれた少なくとも一つを含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。
【００４５】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【００４６】
ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【００４７】
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一の金属元素もしくは複数の金属元素、または上記のスタビライザーとしての元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
【００４８】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【００４９】
また、酸化物半導体膜の成膜工程において、酸化物半導体膜に水素、または水がなるべく含まれないことが好ましい。例えば、酸化物半導体膜の成膜工程の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で基板を予備加熱し、基板に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好ましい。また、酸化物半導体膜の成膜時、残留水分が排気された成膜室（成膜チャンバーともいう）で行うことが好ましい。
【００５０】
なお、予備加熱室、及び成膜室の水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段は、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した、予備加熱室、及び成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、酸化物半導体膜に含まれる水素、水分などの不純物の濃度を低減できる。
【００５１】
なお、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物をスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下においてスパッタリング法により形成することができる。
【００５２】
酸化物半導体膜として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物をスパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、例えば、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットや、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の金属酸化物ターゲットや、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３の金属酸化物ターゲットを用いることができる。ただし、酸化物半導体膜に用いることのできるターゲットは、これらのターゲットの材料、及び組成に限定されるものではない。
【００５３】
また、酸化物半導体膜を上述した金属酸化物ターゲットを用いて形成した場合、ターゲットの組成と、基板上に形成される薄膜の組成とが異なる場合がある。例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ比］の金属酸化物ターゲットを用いた場合、成膜条件にも依存するが、薄膜である酸化物半導体膜の組成比は、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：０．６〜０．８［ｍｏｌ比］となる場合がある。これは、酸化物半導体膜の成膜中において、ＺｎＯが昇華する、またはＩｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯの各成分のスパッタリングレートが異なるためであると考えられる。
【００５４】
したがって、所望の組成比の薄膜を形成したい場合においては、予め金属酸化物ターゲットの組成比を調整する必要がある。例えば、薄膜である酸化物半導体膜の組成比を、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ比］とする場合においては、金属酸化物ターゲットの組成比を、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１．５［ｍｏｌ比］とすればよい。すなわち、金属酸化物ターゲットのＺｎＯの含有量を予め多くすればよい。ただし、ターゲットの組成比は、上記数値に限定されず、成膜条件や、形成される薄膜の組成により適宜調整することができる。また、金属酸化物ターゲットのＺｎＯの含有量を多くすることにより、得られる薄膜の結晶性が向上するため好ましい。
【００５５】
また、金属酸化物ターゲットの相対密度は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．９％以下である。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜とすることができる。
【００５６】
また、酸化物半導体膜を成膜する際に用いるスパッタリングガスとしては、水素、水、水酸基、または水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００５７】
酸化物半導体膜として、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を適用する場合、該ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成する方法としては、三つ挙げられる。一つめは、成膜温度を２００℃以上４５０℃以下として酸化物半導体膜の成膜を行うことで、酸化物半導体膜に含まれる結晶部のｃ軸が、被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃った結晶部を形成する方法である。二つめは、酸化物半導体膜を薄い膜厚で成膜した後、２００℃以上７００℃以下の熱処理を行うことで、酸化物半導体膜に含まれる結晶部のｃ軸が、被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃った結晶部を形成する方法である。三つめは、一層目の酸化物半導体膜を薄く成膜した後、２００℃以上７００℃以下の熱処理を行い、さらに二層目の酸化物半導体膜の成膜を行うことで、酸化物半導体膜に含まれる結晶部のｃ軸が、被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃った結晶部を形成する方法である。
【００５８】
また、基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる水素や水などの不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減されるため好ましい。また、酸化物半導体膜を、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、蒸着法、塗布法などで成膜してもよい。
【００５９】
なお、酸化物半導体膜として、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜以外の結晶性を有する酸化物半導体膜（単結晶または微結晶）を成膜する場合には、成膜温度は特に限定されない。
【００６０】
また、酸化物半導体膜の加工方法としては、ウエットエッチング法、またはドライエッチング法により酸化物半導体膜のエッチングを行うことができる。ドライエッチング法のエッチングガスには、ＢＣｌ３、Ｃｌ２、Ｏ２等を用いることができる。エッチング速度の向上にはＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）やＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）などの高密度プラズマ源を用いたドライエッチング装置を用いることができる。
【００６１】
また、酸化物半導体膜の形成後、酸化物半導体膜に対して、熱処理を行ってもよい。当該熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、または基板の歪み点未満とする。当該熱処理を行うことで、酸化物半導体膜に含まれる過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去することが可能である。なお、当該熱処理は、本明細書等において、脱水化処理（脱水素化処理）と記す場合がある。
【００６２】
当該熱処理は、例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に被処理物を導入し、窒素雰囲気下、４５０℃、１時間の条件で行うことができる。この間、酸化物半導体膜は大気に触れさせず、水や水素の混入が生じないようにする。
【００６３】
熱処理装置は、電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。ガスとしては、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
【００６４】
例えば、当該熱処理として、熱せられた不活性ガス雰囲気中に被処理物を投入し、数分間熱した後、当該不活性ガス雰囲気から被処理物を取り出すＧＲＴＡ処理を行ってもよい。ＧＲＴＡ処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、被処理物の耐熱温度を超える温度条件であっても適用が可能となる。なお、処理中に、不活性ガスを、酸素を含むガスに切り替えても良い。
【００６５】
なお、不活性ガス雰囲気としては、窒素、または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン等）を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望ましい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（すなわち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とする。
【００６６】
また、上述の脱水化処理（脱水素化処理）を行うと、酸化物半導体膜を構成する主成分材料である酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。酸化物半導体膜において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性変動を招くドナー準位が生じてしまう。よって、脱水化処理（脱水素化処理）を行った場合、酸化物半導体膜中に、酸素を供給することが好ましい。酸化物半導体膜中に酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。
【００６７】
酸化物半導体膜中の酸素欠損を補填する方法の一例としては、酸化物半導体膜に対して脱水化処理（脱水素化処理）を行った後、同じ炉に高純度の酸素ガス、二窒化酸素ガス、高純度の亜酸化窒素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｍ以下の空気）を導入すればよい。酸素ガス、または二窒化酸素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、熱処理装置に導入する酸素ガス、または二窒化酸素ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち、酸素ガスまたは二窒化酸素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００６８】
また、酸化物半導体膜中に酸素を供給する方法の一例としては、酸化物半導体膜に酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を添加することで、酸化物半導体膜中に酸素を供給してもよい。酸素の添加方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
【００６９】
また、酸化物半導体膜中に酸素を供給する方法の一例としては、下地絶縁膜、または後に形成されるゲート絶縁膜等を加熱することにより、酸素の一部を脱離させ、酸化物半導体膜に酸素を供給してもよい。
【００７０】
上述のように、酸化物半導体膜の形成後において、脱水化処理（脱水素化処理）を行い酸化物半導体膜から、水素、または水分を除去して不純物が極力含まれないように高純度化し、脱水化処理（脱水素化処理）によって同時に減少してしまった酸素を酸化物半導体に加える、または過剰な酸素を供給し酸化物半導体膜の酸素欠損を補填することが好ましい。また、酸化物半導体膜に酸素を供給する場合を、加酸素化処理、または過酸素化処理と記す場合がある。
【００７１】
このように、酸化物半導体膜は、脱水化処理（脱水素化処理）により、水素または水分が除去され、加酸素化処理により酸素欠損を補填することによって、電気的にｉ型（真性）化またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体膜とすることができる。具体的には、酸化物半導体膜中の水素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。なお、上述の酸化物半導体膜中の水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定されるものである。
【００７２】
このように、水素濃度が十分に低減されて高純度化され、十分な酸素の供給により酸素欠乏に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位が低減された酸化物半導体膜では、ドナーに由来するキャリアが極めて少なく（ゼロに近い）、キャリア濃度が１×１０１２／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは、１．４５×１０１０／ｃｍ３未満となる。このような酸化物半導体膜を用いたトランジスタにおいて、例えば、室温（２５℃）でのオフ電流（ここでは、単位チャネル幅（１μｍ）あたりの値）は、１００ｚＡ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×１０−２１Ａ）以下、好ましくは１０ｚＡ以下、さらに好ましくは１００ｙＡ（１ｙＡ（ヨクトアンペア）は１×１０−２４Ａ）以下となる。このように、ｉ型化（真性化）または実質的にｉ型化された酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ電流特性のトランジスタとすることができる。
【００７３】
＜実施の形態１：ＣＳＣ構造（チャネルストップコンタクト型）作製方法＞
図１（Ｂ）に示した半導体装置の作製方法について、図２及び図３を用いて説明を行う。なお、図１（Ｂ）で示した符号については、同様の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００７４】
まず、基板１０２上に金属酸化物からなる下地絶縁膜１０４を形成する（図２（Ａ）参照）。
【００７５】
基板１０２としては、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料を用いる。量産する上では、基板１０２は、第８世代（２１６０ｍｍ×２４６０ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ、または２４５０ｍｍ×３０５０ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等のマザーガラスを用いることが好ましい。マザーガラスは、処理温度が高く、処理時間が長いと大幅に収縮するため、マザーガラスを使用して量産を行う場合、作製工程の加熱処理は、好ましくは６００℃以下、さらに好ましくは４５０℃以下、さらに好ましくは３５０℃以下とすることが望ましい。
【００７６】
下地絶縁膜１０４としては、例えば、酸化アルミニウム膜を用いることができる。酸化アルミニウム膜は、スパッタリング法により形成し、好ましくは密度が３．２ｇ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは３．６ｇ／ｃｍ３以上であるとよい。下地絶縁膜１０４として、上述した酸化アルミニウム膜を用いることで、基板１０２からトランジスタ１５０中に拡散する不純物を防止することができる。基板１０２からの不純物としては、例えば、水素、金属元素等がある。金属元素としては、ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、シリコン、ボロンといった元素が挙げられる。また、下地絶縁膜１０４の膜厚は、５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下（好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下）とすることができる。
【００７７】
下地絶縁膜の表面から３ｎｍ以下の領域において、ガラス基板中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００７８】
また、下地絶縁膜１０４としては、水（Ｈ２Ｏ）、または水素（Ｈ２）の放出量が少ない膜が好ましい。例えば、下地絶縁膜１０４として、酸化アルミニウム膜を用いることができる。酸化アルミニウム膜の水（Ｈ２Ｏ）の放出量が、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるとよい。また、酸化アルミニウム膜の水素（Ｈ２）の放出量が、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるとよい。
【００７９】
例えば、下地絶縁膜１０４の膜中に水素、または水の放出量が多い膜を用いると、トランジスタ１５０の形成工程中に下地絶縁膜１０４から水、または水素が放出し、トランジスタ１５０中の酸化物半導体膜１１０内に拡散する可能性がある。そのため、上述した放出量の下地絶縁膜１０４とすることで、トランジスタ１５０に拡散する不純物を抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【００８０】
なお、上述した水の放出量、及び水素の放出量は、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、測定することができる。
【００８１】
次に、下地絶縁膜１０４上に、導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程によりゲート電極１０６を形成し、その後、下地絶縁膜１０４、及びゲート電極１０６上にゲート絶縁膜１０８を形成する（図２（Ｂ）参照）。
【００８２】
ゲート電極１０６としては、スパッタリング法等により、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、及びスカンジウム等の金属材料、または、これらの少なくとも一つを含む合金材料を用いて、単層、または積層して形成することができる。
【００８３】
ゲート絶縁膜１０８としては、例えば、ＰＥ−ＣＶＤ法等により、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、または窒化酸化シリコン等を用いることができる。また、ゲート絶縁膜１０８の膜厚としては、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。
【００８４】
また、ゲート絶縁膜１０８は、のちに形成される酸化物半導体膜１１０と接する部分において酸素を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁膜１０８は、膜中に少なくとも化学量論的組成比を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、ゲート絶縁膜１０８として、酸化シリコンを用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とすることが好ましい。本実施の形態では、ゲート絶縁膜１０８として、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）である酸化シリコンを用いる。この酸化シリコンをゲート絶縁膜１０８として用いることで、のちに形成される酸化物半導体膜１１０に酸素を供給することができ、酸化物半導体膜１１０の電気特性を良好にすることができる。
【００８５】
また、ゲート絶縁膜１０８のその他の材料としては、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることができる。このような材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁膜１０８は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
【００８６】
次に、ゲート絶縁膜１０８が形成された基板１０２に対して、加熱処理を行っても良い。
【００８７】
例えば、加熱処理としては、電気炉、もしくは抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いることができ、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。また、高温のガスのその他の一例としては、酸素を用いてもよい。酸素を用いることにより、ゲート絶縁膜１０８からの酸素の脱離を抑制、またはゲート絶縁膜１０８へ酸素の供給を行うことができる。
【００８８】
加熱処理の処理温度としては、基板１０２として、マザーガラスを用いた場合、処理温度が高く、処理時間が長いと大幅に収縮するため、好ましくは、２００℃以上４５０℃以下、さらに好ましくは、２５０℃以上３５０℃以下である。
【００８９】
なお、上記加熱処理を行うことで、ゲート絶縁膜１０８の膜中に含まれる水、水素等の不純物を除去することができる。また、当該加熱処理により、ゲート絶縁膜１０８の膜中の欠陥密度を低減することができる。ゲート絶縁膜１０８の膜中の不純物、または膜中の欠陥密度が低減することにより、半導体装置の信頼性が向上する。例えば、半導体装置の信頼性試験の一つである光負バイアスストレス試験における半導体装置の劣化を抑制させることができる。
【００９０】
また、上記加熱処理は、のちに形成される酸化物半導体膜１１０の成膜前処理として、行ってもよい。例えば、ゲート絶縁膜１０８を形成した後、スパッタリング装置の予備加熱室にて、真空中で加熱処理を行った後、酸化物半導体膜１１０を形成してもよい。
【００９１】
また、上記加熱処理は、複数回行ってもよい。例えば、ゲート絶縁膜１０８の形成後、電気炉等により窒素雰囲気中で加熱処理を行い、その後、スパッタリング装置の予備加熱室にて、真空中で加熱処理を行った後、酸化物半導体膜１１０を形成してもよい。
【００９２】
次に、ゲート絶縁膜１０８上に、酸化物半導体膜を成膜し、フォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程を行い、島状の酸化物半導体膜１１０を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【００９３】
酸化物半導体膜１１０の詳細な内容及び作製方法等については、［酸化物半導体膜１１０の詳細な説明］の欄に記載したので、省略する。
【００９４】
次に、ゲート絶縁膜１０８及び酸化物半導体膜１１０の上に絶縁膜１１１を形成する（図２（Ｄ）参照）。
【００９５】
絶縁膜１１１としては、例えば、ＰＥ−ＣＶＤ法を用い、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム等の無機材料を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させてもよく、本実施の形態においては、酸化シリコンを用いる。
【００９６】
また、絶縁膜１１１としては、特に化学両論的組成比を超える酸素を含有した酸化シリコン等を用いると好適である。化学両論的組成比を超える酸素を含有した酸化シリコンにより、酸化物半導体膜１１０へ酸素の供給を可能とし、酸化物半導体膜１１０の酸素欠損の発生を防ぐことができる。また、絶縁膜１１１の膜厚は、５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下（好ましくは１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下）とすることができる。
【００９７】
次に、絶縁膜１１１を形成した後、フォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程により絶縁膜１１１を加工し、酸化物半導体膜１１０に達する開口を形成し、保護絶縁膜１１２を形成する（図３（Ａ）参照）。
【００９８】
本実施の形態においては、保護絶縁膜１１２は、酸化物半導体膜１１０のチャネル領域と、島状の酸化物半導体膜１１０の側面を覆うように形成されている。このような構成とすることで、後に形成されるソース電極１１４ａ、及びドレイン電極１１４ｂの加工時に酸化物半導体膜１１０のチャネル領域、及び酸化物半導体膜１１０の側面への加工ダメージ、または加工の際に用いるエッチングガス、もしくはエッチング液中の不純物の混入、または付着を抑制することができる。
【００９９】
次に、保護絶縁膜１１２及び酸化物半導体膜１１０の上に導電膜を形成し、当該導電膜にフォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程を行い、酸化物半導体膜１１０に電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを形成する。なお、この段階でトランジスタ１５０が形成される（図３（Ｂ）参照）。
【０１００】
ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂに用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜、またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。
【０１０１】
次に、トランジスタ１５０上に、層間絶縁膜１１６及び平坦化絶縁膜１１８を形成する（図３（Ｃ）参照）。
【０１０２】
層間絶縁膜１１６としては、ゲート絶縁膜１０８に用いた材料及び方法と、同様な材料及び方法により形成することができる。
【０１０３】
平坦化絶縁膜１１８としては、例えば、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、等の有機樹脂材料を用いることができる。平坦化絶縁膜１１８により、トランジスタ１５０の凹凸を低減させることができる。
【０１０４】
また、平坦化絶縁膜１１８上に導電膜を形成してもよい（図示しない）。導電膜としては、例えば、酸化インジウム−酸化スズ（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、シリコンもしくは酸化シリコンを含有した酸化インジウム−酸化スズ、酸化インジウム−酸化亜鉛、またはグラフェンなどの透光性を有する導電材料を用いることができる。ただし、導電膜として用いることのできる材料は、上記材料に限定されない。例えば、金属膜（アルミニウム、チタンなど）を用いることもできる。このような金属膜を用いることにより、トランジスタ１５０を外光から遮光することができるので、好適である。
【０１０５】
なお、上述した導電膜は、外部からの静電気（所謂、ＥＳＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｓｔａｔｉｃ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）に対して、トランジスタ１５０を保護する機能も有する。トランジスタ１５０上に導電膜を有することで、外部からの静電気放電等の電荷を当該導電膜により、逃がすことができる。
【０１０６】
以上の工程により、図１（Ｂ）に示す半導体装置を作製することができる。
【０１０７】
図１（Ｃ）に示した半導体装置の作製方法は、下記の点を除いて、上述した図１（Ｂ）に示す半導体装置の作製方法と同様である。
【０１０８】
基板１０２上に、導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程によりゲート電極１０６を形成する。次に、ゲート電極１０６及び基板１０２の上に金属酸化物からなる第１のゲート絶縁膜１０８ａを形成する。次に、第１のゲート絶縁膜１０８ａ上に第２のゲート絶縁膜１０８ｂを形成する。なお、第１のゲート絶縁膜１０８ａは図１（Ｂ）に示す下地絶縁膜１０４と同様の膜を同様の方法で形成すればよい。第２のゲート絶縁膜１０８ｂは図１（Ｂ）に示すゲート絶縁膜１０８と同様の膜を同様の方法で形成すればよい。
【０１０９】
＜実施の形態２：ＣＳＩ構造（チャネルストップアイランド型）＞
【０１１０】
図４（Ａ）は、本発明の一態様に係る半導体装置を示す平面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すＸ２−Ｙ２線に沿った断面図である。この半導体装置はボトムゲート構造のトランジスタ１６０を有している。なお、図４（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１６０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁膜１０８など）を省略して図示している。
【０１１１】
図４（Ｂ）に示すように、基板１０２上には金属酸化物からなる下地絶縁膜１０４が形成されている。下地絶縁膜１０４の表面から３ｎｍ以下の領域において、基板１０２中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１１２】
下地絶縁膜１０４上にはゲート電極１０６が形成されている。下地絶縁膜１０４及びゲート電極１０６の上にはゲート絶縁膜１０８が形成されており、ゲート絶縁膜１０８上にはチャネル領域を有する島状の酸化物半導体膜１１０が形成されている。酸化物半導体膜１１０は、ゲート絶縁膜１０８と接し、ゲート電極１０６と重畳する位置に設けられている。酸化物半導体膜１１０上には保護絶縁膜１１２が設けられており、保護絶縁膜１１２は少なくともチャネル領域に対応する領域に位置している。保護絶縁膜１１２、酸化物半導体膜１１０及びゲート絶縁膜１０８の上にはソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂが形成されており、ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂは酸化物半導体膜１１０と電気的に接続されている。このように基板１０２上にはボトムゲート構造のトランジスタ１６０が形成されている。
【０１１３】
トランジスタ１６０上には、さらに層間絶縁膜１１６、及び平坦化絶縁膜１１８が設けられる構成としてもよい。詳細には、保護絶縁膜１１２、ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂの上には層間絶縁膜１１６が設けられており、層間絶縁膜１１６上には平坦化絶縁膜１１８が設けられている。
【０１１４】
なお、図１（Ｂ）では島状の酸化物半導体膜１１０の側面を覆うように保護絶縁膜１１２が形成されているのに対し、図４（Ｂ）では酸化物半導体膜１１０の側面を覆う保護絶縁膜１１２が形成されていない。この点が、図４（Ｂ）の半導体装置が図１（Ｂ）の半導体装置と異なる点である。
【０１１５】
本実施の形態においても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１１６】
図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に示す半導体装置の変形例を示す断面図であり、図４（Ｂ）と同一部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。なお、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示すＸ２−Ｙ２線に沿った断面図に相当する。
【０１１７】
図４（Ｃ）に示すように、基板１０２上にはゲート電極１０６が形成されており、ゲート電極１０６及び基板１０２の上には金属酸化物からなる第１のゲート絶縁膜１０８ａが形成されている。第１のゲート絶縁膜１０８ａの表面から３ｎｍ以下の領域において、基板１０２中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１１８】
第１のゲート絶縁膜１０８ａ上には、第１のゲート絶縁膜１０８ａと組成が異なる第２のゲート絶縁膜１０８ｂが形成されている。第１のゲート絶縁膜１０８ａと第２のゲート絶縁膜１０８ｂとによりゲート絶縁膜１０８が構成されており、ゲート絶縁膜１０８上には島状の酸化物半導体膜１１０が形成されている。
【０１１９】
本変形例においても実施の形態１の変形例と同様の効果を得ることができる。
【０１２０】
＜実施の形態２：ＣＳＩ構造（チャネルストップアイランド型）作製方法＞
図４（Ｂ）に示した半導体装置の作製方法は、下記の点を除いて、前述した図２及び図３に示す半導体装置の作製方法と同様である。
【０１２１】
絶縁膜１１１を形成した後、フォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程により絶縁膜１１１を加工し、酸化物半導体膜１１０上に、酸化物半導体膜１１０のチャネル領域に対応する領域に位置する保護絶縁膜１１２を形成する。
【０１２２】
本実施の形態においては、保護絶縁膜１１２は、酸化物半導体膜１１０のチャネル領域を覆うように形成されている。このような構成とすることで、後に形成されるソース電極１１４ａ、及びドレイン電極１１４ｂの加工時に酸化物半導体膜１１０のチャネル領域への加工ダメージ、または加工の際に用いるエッチングガス、もしくはエッチング液中の不純物の混入、または付着を抑制することができる。
【０１２３】
次に、保護絶縁膜１１２、酸化物半導体膜１１０及びゲート絶縁膜１０８の上に導電膜を形成し、当該導電膜にフォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程を行い、酸化物半導体膜１１０に電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを形成する。なお、この段階でトランジスタ１６０が形成される。
【０１２４】
図４（Ｃ）に示した半導体装置の作製方法は、下記の点を除いて、上述した図４（Ｂ）に示す半導体装置の作製方法と同様である。
【０１２５】
基板１０２上に、導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程によりゲート電極１０６を形成する。次に、ゲート電極１０６及び基板１０２の上に金属酸化物からなる第１のゲート絶縁膜１０８ａを形成する。次に、第１のゲート絶縁膜１０８ａ上に第２のゲート絶縁膜１０８ｂを形成する。なお、第１のゲート絶縁膜１０８ａは図４（Ｂ）に示す下地絶縁膜１０４と同様の膜を同様の方法で形成すればよい。第２のゲート絶縁膜１０８ｂは図４（Ｂ）に示すゲート絶縁膜１０８と同様の膜を同様の方法で形成すればよい。
【０１２６】
＜実施の形態３：ＣＥ構造（チャネルエッチ型）＞
【０１２７】
図５（Ａ）は、本発明の一態様に係る半導体装置を示す平面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すＸ３−Ｙ３線に沿った断面図である。この半導体装置はボトムゲート構造のトランジスタ１７０を有している。なお、図５（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１７０の構成要素の一部（例えば、ゲート絶縁膜１０８など）を省略して図示している。
【０１２８】
図５（Ｂ）に示すように、基板１０２上には金属酸化物からなる下地絶縁膜１０４が形成されている。下地絶縁膜１０４の表面から３ｎｍ以下の領域において、基板１０２中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１２９】
下地絶縁膜１０４上にはゲート電極１０６が形成されている。下地絶縁膜１０４及びゲート電極１０６の上にはゲート絶縁膜１０８が形成されており、ゲート絶縁膜１０８上にはチャネル領域を有する島状の酸化物半導体膜１１０が形成されている。酸化物半導体膜１１０は、ゲート絶縁膜１０８と接し、ゲート電極１０６と重畳する位置に設けられている。酸化物半導体膜１１０及びゲート絶縁膜１０８の上にはソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂが形成されており、ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂは酸化物半導体膜１１０と電気的に接続されている。このように基板１０２上にはボトムゲート構造のトランジスタ１７０が形成されている。
【０１３０】
トランジスタ１７０上には、さらに層間絶縁膜１１６、及び平坦化絶縁膜１１８が設けられる構成としてもよい。詳細には、酸化物半導体膜１１０、ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂの上には層間絶縁膜１１６が設けられており、層間絶縁膜１１６上には平坦化絶縁膜１１８が設けられている。
【０１３１】
なお、図１（Ｂ）に示す半導体装置は保護絶縁膜１１２を有しているのに対し、図５（Ｂ）に示す半導体装置は保護絶縁膜１１２を有していない。この点が、図５（Ｂ）の半導体装置が図１（Ｂ）の半導体装置と異なる点である。
【０１３２】
本実施の形態においても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１３３】
図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）に示す半導体装置の変形例を示す断面図であり、図５（Ｂ）と同一部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。なお、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）に示すＸ３−Ｙ３線に沿った断面図に相当する。
【０１３４】
図５（Ｃ）に示すように、基板１０２上にはゲート電極１０６が形成されており、ゲート電極１０６及び基板１０２の上には金属酸化物からなる第１のゲート絶縁膜１０８ａが形成されている。第１のゲート絶縁膜１０８ａの表面から３ｎｍ以下の領域において、基板１０２中に含まれる金属元素の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１３５】
第１のゲート絶縁膜１０８ａ上には、第１のゲート絶縁膜１０８ａと組成が異なる第２のゲート絶縁膜１０８ｂが形成されている。第１のゲート絶縁膜１０８ａと第２のゲート絶縁膜１０８ｂとによりゲート絶縁膜１０８が構成されており、ゲート絶縁膜１０８上には島状の酸化物半導体膜１１０が形成されている。
【０１３６】
本変形例においても実施の形態１の変形例と同様の効果を得ることができる。
【０１３７】
＜実施の形態３：ＣＥ構造（チャネルエッチ型）作製方法＞
図５（Ｂ）に示した半導体装置の作製方法は、下記の点を除いて、前述した図２及び図３に示す半導体装置の作製方法と同様である。
【０１３８】
ゲート絶縁膜１０８及び酸化物半導体膜１１０の上に導電膜を形成し、当該導電膜にフォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程を行い、酸化物半導体膜１１０に電気的に接続されたソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂを形成する。なお、この段階でトランジスタ１７０が形成される。
【０１３９】
図５（Ｃ）に示した半導体装置の作製方法は、下記の点を除いて、上述した図５（Ｂ）に示す半導体装置の作製方法と同様である。
【０１４０】
基板１０２上に、導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程によりゲート電極１０６を形成する。次に、ゲート電極１０６及び基板１０２の上に金属酸化物からなる第１のゲート絶縁膜１０８ａを形成する。次に、第１のゲート絶縁膜１０８ａ上に第２のゲート絶縁膜１０８ｂを形成する。なお、第１のゲート絶縁膜１０８ａは図４（Ｂ）に示す下地絶縁膜１０４と同様の膜を同様の方法で形成すればよい。第２のゲート絶縁膜１０８ｂは図４（Ｂ）に示すゲート絶縁膜１０８と同様の膜を同様の方法で形成すればよい。
【実施例１】
【０１４１】
本実施例においては、本発明の一態様に係る半導体装置に用いることのできる金属酸化物からなる下地絶縁膜の一例としての酸化アルミニウム膜について評価を行った。その評価方法及び評価結果について図６及び図７を用いて説明する。なお、評価方法としては、Ｘ線反射率測定法（ＸＲＲ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、以下、ＸＲＲ測定）、及び二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以下、ＳＩＭＳ分析）を用いた。
【０１４２】
まず、ＸＲＲ測定に関して以下に説明する。
【０１４３】
ＸＲＲとは、試料に形成された薄膜に対してＸ線を入射し、その入射したＸ線の臨界角、振幅波形の変化等を測定し、その測定した臨界角、振幅波形などを用いて理論式解析を行うことで、その薄膜の密度を測定する測定法である。また、本実施例においては、理論式解析のモデルとして、理想的な組成であるＡｌ２Ｏ３（Ｚ／Ａ＝０．４８８２、（Ｚ＝原子番号、Ａ＝質量数））を酸化アルミニウム膜の組成として用い、解析した。
【０１４４】
また、ＸＲＲによって測定される試料としては、図６（Ａ）に示す試料１と、図６（Ｂ）に示す試料２を用いた。以下に各試料の構造、及び形成条件の詳細を説明する。
【０１４５】
（試料１）
ガラス基板５０２上に、スパッタリング装置を用いて酸化アルミニウム膜５０４ａを成膜した。その成膜条件は、基板温度を室温とし、Ｏ２流量（Ｏ２＝１００％）を５０ｓｃｃｍとし、電力（ＤＣ−Ｐｕｌｓｅ電源、Ｐｕｌｓｅ＝３００ｋＨｚ）を６ｋＷとし、圧力を０．６Ｐａとし、膜厚を１００ｎｍとした。なお、スパッタリングターゲットとしては、金属アルミニウムターゲットを用いた。
【０１４６】
（試料２）
ガラス基板５０２上に、スパッタリング装置を用いて酸化アルミニウム膜５０４ｂを成膜した。その成膜条件は、基板温度を１５０℃とし、Ｏ２流量（Ｏ２＝１００％）を３００ｓｃｃｍとし、電力（ＡＣ電源）を３０ｋＷとし、圧力を０．７Ｐａとし、膜厚を１００ｎｍとした。なお、スパッタリングターゲットとしては、金属アルミニウムターゲットを用いた。
【０１４７】
次に、上記試料１及び試料２それぞれの酸化アルミニウム膜の密度をＸＲＲによって測定し、評価した。なお、ＸＲＲでは各試料の面内を３点測定した。その測定結果を図７に示す。
【０１４８】
図７に示すように、試料１については、酸化アルミニウム膜の膜密度が約３．０ｇ／ｃｍ３であり、試料２については、酸化アルミニウム膜の膜密度が約３．８ｇ／ｃｍ３であった。
【０１４９】
次に、ＳＩＭＳ分析に関して以下に説明する。
【０１５０】
ＳＩＭＳ分析用の試料としては、図８（Ａ）に示す試料３と、図８（Ｂ）に示す試料４を用いた。以下に各試料の構造及び形成条件について詳細に説明する。
【０１５１】
（試料３）
ガラス基板５０２上にスパッタリング装置を用いて酸化シリコン膜５０３ａを成膜し、酸化シリコン膜５０３ａ上にスパッタリング装置を用いて酸化アルミニウム膜５０４ａを成膜した。酸化シリコン膜５０３ａの成膜条件としては、基板温度を２００℃とし、Ｏ２流量（Ｏ２＝１００％）を３００ｓｃｃｍとし、電力（ＤＣ−Ｐｕｌｓｅ電源、Ｐｕｌｓｅ＝３００ｋＨｚ）を６ｋＷとし、圧力を０．４Ｐａとし、膜厚を１００ｎｍとした。なお、酸化アルミニウム膜５０４ａは、その成膜条件が試料１と同様であり、その膜密度が３．０ｇ／ｃｍ３であった。ただし、酸化アルミニウム膜５０４ａの膜厚は５０ｎｍとした。
【０１５２】
（試料４）
ガラス基板５０２上にスパッタリング装置を用いて酸化シリコン膜５０３ｂを成膜し、酸化シリコン膜５０３ｂ上にスパッタリング装置を用いて酸化アルミニウム膜５０４ｂを成膜した。酸化シリコン膜５０３ｂの成膜条件としては、基板温度を２００℃とし、Ｏ２流量（Ｏ２＝１００％）を３００ｓｃｃｍとし、電力（ＤＣ−Ｐｕｌｓｅ電源、Ｐｕｌｓｅ＝３００ｋＨｚ）を６ｋＷとし、圧力を０．４Ｐａとし、膜厚を４００ｎｍとした。なお、酸化アルミニウム膜５０４ｂは、その成膜条件が試料２と同様であり、その膜密度が３．０ｇ／ｃｍ３であった。
【０１５３】
次に、試料３及び試料４について、プレッシャークッカー試験（ＰＣＴ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｏｋｅｒ  Ｔｅｓｔ、以下、ＰＣＴという）を行った。
【０１５４】
本実施例ではＰＣＴの条件としては、温度を１３０℃とし、湿度を８５％とし、雰囲気をＨ２Ｏ（水）：Ｄ２Ｏ（重水）＝３：１（体積比）とし、圧力を２．３気圧（０．２３ＭＰａ）とし、試料３及び試料４それぞれの保持時間を１００時間とした。
【０１５５】
次に、ＰＣＴ後の試料３及び試料４のＳＩＭＳ分析を行い、膜中の水素（Ｈ）元素及び重水素（Ｄ）元素の濃度測定を行った。試料３の評価結果を図９に示し、試料４の評価結果を図１０に示す。また、本実施例のＳＩＭＳ分析結果は、酸化シリコン膜の標準試料により定量した結果を示している。
【０１５６】
なお、ＳＩＭＳ分析は、その測定原理上、試料表面近傍や、材質が異なる膜との積層界面近傍のデータを正確に得ることが困難であることが知られている。そこで、膜中における水素（Ｈ）元素及び重水素（Ｄ）元素それぞれの厚さ方向の濃度分布をＳＩＭＳで分析する場合、対象となる膜が存在する範囲において、極端な変動が無く、ほぼ一定の強度が得られる領域における平均値を測定濃度として採用する。
【０１５７】
図９に示すように、試料３の酸化シリコン膜５０３ａの膜中の水素（Ｈ）元素の濃度は、１．４×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、試料３の酸化シリコン膜５０３ａの膜中の重水素（Ｄ）元素の濃度は、２．９×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。また、図１０に示すように、試料４の酸化シリコン膜５０３ｂの膜中の水素（Ｈ）元素の濃度は、２．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、試料４の酸化シリコン膜５０３ｂの膜中の重水素（Ｄ）元素の濃度は、検出下限以下であった。なお、本実施例におけるＳＩＭＳ分析の重水素（Ｄ）元素濃度の検出下限は、１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
【０１５８】
このように、酸化アルミニウム膜５０４ａの膜密度が約３．０ｇ／ｃｍ３の試料３においては、水素（Ｈ）元素及び重水素（Ｄ）元素が酸化アルミニウム膜５０４ａ及び酸化シリコン膜５０３ａの膜中に拡散していることがわかる。一方、酸化アルミニウム膜５０４ｂの膜密度が約３．８ｇ／ｃｍ３の試料４においては、水素（Ｈ）元素及び重水素（Ｄ）元素ともに、酸化アルミニウム膜５０４ｂの３０ｎｍ付近で急激に濃度低下が見られ、酸化アルミニウム膜５０４ｂ及び酸化シリコン膜５０４ｂ膜中に拡散していないことがわかる。
【０１５９】
以上説明したように、酸化アルミニウム膜の膜密度により、不純物（水素及び重水素）に対するバリア性が異なることが確認された。
【実施例２】
【０１６０】
本実施例においては、本発明の一態様に係る半導体装置に用いることのできる金属酸化物からなる下地絶縁膜について評価を行った。
【０１６１】
評価方法としては、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以下、ＴＤＳ分析）を用いた。
【０１６２】
また、評価用試料は、試料５として窒化シリコン膜（ＳｉＮ）、試料６として酸化窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ）、試料７として酸化アルミニウム膜（ＡｌＯｘ）の３種類を作製した。
【０１６３】
以下に、各試料の構造及び成膜条件について詳細に説明する。
【０１６４】
（試料５）
ガラス基板上に、ＰＥ−ＣＶＤ装置を用いて窒化シリコン膜（ＳｉＮ）を成膜した。その成膜条件は、ガス流量をＳｉＨ４／Ｎ２／ＮＨ３＝９０／４０００／２７００ｓｃｃｍとし、成膜電力を２０００Ｗ（ＲＦ）とし、成膜圧力を２００Ｐａとし、基板温度を３５０℃とした。なお、ガラス基板の厚さは０．７ｍｍとし、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）の膜厚は１００ｎｍとした。
【０１６５】
（試料６）
ガラス基板上に、ＰＥ−ＣＶＤ装置を用いて酸化窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ）を成膜した。その成膜条件は、ガス流量をＳｉＨ４／Ｎ２Ｏ＝２０／３０００ｓｃｃｍとし、成膜電力を１００Ｗ（ＲＦ）とし、成膜圧力を４０Ｐａとし、基板温度を３５０℃とした。なお、ガラス基板の厚さは０．７ｍｍとし、酸化窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ）の膜厚は１００ｎｍとした。
【０１６６】
（試料７）
ガラス基板上に、スパッタリング装置を用いて酸化アルミニウム膜（ＡｌＯｘ）を成膜した。その成膜条件は、Ｏ２（Ｏ２＝１００％）の流量を３００ｓｃｃｍとし、成膜電力を３０ｋＷ（ＡＣ）とし、成膜圧力を０．７Ｐａとし、基板温度を室温（Ｒ．Ｔ．）とした。なお、ガラス基板の厚さは０．７ｍｍとし、酸化アルミニウム膜（ＡｌＯｘ）の膜厚は１００ｎｍとした。
【０１６７】
次に、上記試料５乃至試料７のＴＤＳ分析を行った。なお、ＴＤＳ分析は、各試料を真空容器内で加熱し、昇温中に各試料から発生するガス成分を四重極質量分析計で検出する分析である。検出されるガス成分は、ｍ／ｚ（質量／電荷）のイオン強度で区別される。なお、本実施例では、ｍ／ｚ＝２のイオン強度を水素（Ｈ２）として同定し、ｍ／ｚ＝１８のイオン強度を水（Ｈ２Ｏ）として同定した。
【０１６８】
試料５の窒化シリコン膜（ＳｉＮ）のＴＤＳ測定結果を図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示し、試料６の酸化窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ）のＴＤＳ測定結果を図１１（Ｃ）及び図１１（Ｄ）に示し、試料７の酸化アルミニウム膜（ＡｌＯｘ）のＴＤＳ測定結果を図１１（Ｅ）及び図１１（Ｆ）に示す。また、図１１（Ａ）、図１１（Ｃ）及び図１１（Ｅ）は、ｍ／ｚ＝２（Ｈ２）のＴＤＳ測定結果を表し、図１１（Ｂ）、図１１（Ｄ）及び図１１（Ｆ）は、ｍ／ｚ＝１８（Ｈ２Ｏ）のＴＤＳ測定結果を表す。なお、図１１は、横軸が基板温度（℃）を示し、縦軸がｍ／ｚ＝２（Ｈ２）、またはｍ／ｚ＝１８（Ｈ２Ｏ）のイオン強度（任意単位）を示す。
【０１６９】
図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、試料５の窒化シリコン膜（ＳｉＮ）は、３００℃〜５５０℃の範囲にてｍ／ｚ＝２（Ｈ２）のイオン強度が顕著に検出され、ｍ／ｚ＝１８（Ｈ２Ｏ）のイオン強度の検出が少ないことがわかる。
【０１７０】
また、図１１（Ｃ）及び図１１（Ｄ）に示すように、試料６の酸化窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ）は、３００℃付近よりｍ／ｚ＝２（Ｈ２）のイオン強度が検出され、４００℃付近よりｍ／ｚ＝１８（Ｈ２Ｏ）のイオン強度の検出も確認される。なお、ｍ／ｚ＝１８（Ｈ２Ｏ）の１００℃近傍で検出されているイオン強度については、試料表面に付着する吸着水によるものと考えられる。
【０１７１】
また、図１１（Ｅ）及び図１１（Ｆ）に示すように、試料７の酸化アルミニウム膜（ＡｌＯｘ）は、ｍ／ｚ＝２（Ｈ２）、及びｍ／ｚ＝１８（Ｈ２Ｏ）のイオン強度の検出がほとんど確認されないことがわかる。なお、ｍ／ｚ＝１８（Ｈ２Ｏ）の１００℃近傍で検出されているイオン強度については、試料表面に付着する吸着水によるものと考えられる。
【０１７２】
そこで、各試料のｍ／ｚ＝２（Ｈ２）、及びｍ／ｚ＝１８（Ｈ２Ｏ）のイオン強度の定量化を行い、各試料からの水素（Ｈ２）放出量、及び水（Ｈ２Ｏ）放出量をそれぞれ算出した。また、ｍ／ｚ＝１８（Ｈ２Ｏ）の１００℃近傍のイオン強度については、各試料の表面に付着する吸着水によるものと考えられるため、１００℃近傍のイオン強度については、定量化の範囲外とした。なお、イオン強度の検出量が少ない試料については、定量化が困難であり、定量不可とした。表１に各試料の条件（膜種、成膜装置電源、基板温度）、並びに水素（Ｈ２）放出量、及び水（Ｈ２Ｏ）放出量を示す。
【０１７３】
【表１】
2013183001.tif 000004
【０１７４】
定量化の結果、試料５の窒化シリコン膜（ＳｉＮ）は、水素（Ｈ２）の放出量が、４．７５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、水（Ｈ２Ｏ）の放出量が、定量不可であった。また、試料６の酸化窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ）は、水素（Ｈ２）の放出量が、８．１６×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、水（Ｈ２Ｏ）の放出量が、２．８７×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。また、試料７の酸化アルミニウム膜（ＡｌＯｘ）は、水素（Ｈ２）の放出量、及び水（Ｈ２Ｏ）の放出量ともに定量不可であった。
【０１７５】
以上のように、窒化シリコン膜及び酸化窒化シリコン膜は、水素または水を膜中から放出することが確認された。一方、酸化アルミニウム膜は、水素及び水を膜中から放出することがほとんどない。したがって、水素（Ｈ２）の放出量及び水（Ｈ２Ｏ）の放出量それぞれが、１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の酸化アルミニウム膜を下地絶縁膜として用いることで、酸化物半導体膜に対して、不純物である水素及び水の拡散を防止することができる。
【実施例３】
【０１７６】
本実施例は、金属酸化膜からなる下地絶縁膜を設ける構成のトランジスタ１８０を作製し、比較例として下地絶縁膜を設けない構成のトランジスタ１９０を作製し、各トランジスタの信頼性について評価を行った。本実施例及び比較例それぞれのトランジスタの構成、及びトランジスタの信頼性の結果について、図１２乃至図１６を用いて説明する。
【０１７７】
図１２（Ａ）に、本実施例で作製したトランジスタ１８０の構造図を示す。トランジスタ１８０は、基板１０２としてガラス基板を用い、下地絶縁膜１０４として膜密度が約３．８ｇ／ｃｍ３の酸化アルミニウム膜（厚さ３０ｎｍ）を用い、ゲート電極１０６としてタングステン膜（厚さ１００ｎｍ）を用い、ゲート絶縁膜１０８として酸化窒化シリコン膜（厚さ２００ｎｍ）を用い、酸化物半導体膜１１０としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子数比）の酸化物半導体膜（厚さ３５ｎｍ）を用い、ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂとして、チタン膜（厚さ１００ｎｍ）、アルミニウム膜（厚さ４００ｎｍ）、及びチタン膜（厚さ１００ｎｍ）の積層膜を用い、層間絶縁膜１１６としてスパッタリング法により形成した酸化シリコン膜（厚さ４００ｎｍ）を用い、平坦化絶縁膜１１８としてアクリル樹脂（厚さ１．５μｍ）を用いた。なお、トランジスタ１８０は、チャネル長（Ｌ）が６μｍ、チャネル幅（Ｗ）が５０μｍである。
【０１７８】
図１２（Ｂ）に、比較例のトランジスタ１９０の構造図を示す。トランジスタ１９０は、基板１０２、ゲート電極１０６、ゲート絶縁膜１０８、酸化物半導体膜１１０、ソース電極１１４ａ及びドレイン電極１１４ｂ、層間絶縁膜１１６、平坦化絶縁膜１１８、チャネル長（Ｌ）、及びチャネル幅（Ｗ）として、実施例のトランジスタ１８０と同様のものを用いた。つまり、比較例のトランジスタ１９０は、実施例のトランジスタ１８０から下地絶縁膜１０４を除いた構造と同様である。
【０１７９】
次に、実施例のランジスタ１８０及び比較例のトランジスタ１９０それぞれの信頼性試験を行った。信頼性試験としては、ゲートＢＴ（電圧−熱）ストレス試験を用いた。
【０１８０】
ゲートＢＴストレス試験としては、４つの条件下で行った。各条件の詳細について以下に示す。
【０１８１】
（条件１：ダーク環境、プラスＢＴ試験）
Ｖｇ＝＋３０Ｖ、Ｖｄ＝０Ｖ、Ｖｓ＝０Ｖ、ストレス温度８０℃、ストレス印加時間＝０ｓｅｃ、５００ｓｅｃ、１０００ｓｅｃ、光照射なし。
（条件２：ダーク環境、マイナスＢＴ試験）
Ｖｇ＝−３０Ｖ、Ｖｄ＝０Ｖ、Ｖｓ＝０Ｖ、ストレス温度８０℃、ストレス印加時間＝０ｓｅｃ、５００ｓｅｃ、１０００ｓｅｃ、光照射なし。
（条件３：フォト環境、プラスＢＴ試験）
Ｖｇ＝＋３０Ｖ、Ｖｄ＝０Ｖ、Ｖｓ＝０Ｖ、ストレス温度８０℃、ストレス印加時間＝０ｓｅｃ、５００ｓｅｃ、１０００ｓｅｃ、光照射あり。
（条件４：フォト環境、マイナスＢＴ試験）
Ｖｇ＝−３０Ｖ、Ｖｄ＝０Ｖ、Ｖｓ＝０Ｖ、ストレス温度８０℃、ストレス印加時間＝０ｓｅｃ、５００ｓｅｃ、１０００ｓｅｃ、光照射あり。
【０１８２】
なお、フォト環境時の光照射条件としては、白色ＬＥＤを用い、照度を約３０００ルクス（ｌｘ）に設定して行った。
【０１８３】
実施例のトランジスタ１８０を条件１で試験を行い、試験後のトランジスタ特性を図１３（Ａ）に、トランジスタ１８０を条件２で試験を行い、試験後のトランジスタ特性を図１３（Ｂ）に、トランジスタ１８０を条件３で試験を行い、試験後のトランジスタ特性を図１４（Ａ）に、トランジスタ１８０を条件４で試験を行い、試験後のトランジスタ特性を図１４（Ｂ）に、それぞれ示す。
【０１８４】
比較例のトランジスタ１９０を条件１で試験を行い、試験後のトランジスタ特性を図１５（Ａ）に、トランジスタ１９０を条件２で試験を行い、試験後のトランジスタ特性を図１５（Ｂ）に、トランジスタ１９０を条件３で試験を行い、試験後のトランジスタ特性を図１６（Ａ）に、トランジスタ１９０を条件４で試験を行い、試験後のトランジスタ特性を図１６（Ｂ）に、それぞれ示す。
【０１８５】
図１３乃至図１６は、トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧（Ｖｄ）を１０Ｖとし、ゲート電圧（Ｖｇ）を−２５Ｖから２５Ｖまで、０．２５Ｖ間隔で変化させた際のドレイン電流（Ｉｄ）を示している。また、横軸がＶｇ（Ｖ）を表し、縦軸がＩｄ（Ａ）を、それぞれ表す、所謂Ｖｇ−Ｉｄ特性カーブである。
【０１８６】
図１３乃至図１６において、ストレス印加時間を、０ｓｅｃ、５００ｓｅｃ、１０００ｓｅｃと変化させ、各ストレス印加時間後のトランジスタ特性を、それぞれプロットしている。なお、図中の太い実線が０ｓｅｃ印加時のプロットを表し、細い実線が５００ｓｅｃ印加時のプロットを表し、細い破線が１０００ｓｅｃ印加時のプロットを表す。
【０１８７】
図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）、図１４（Ａ）、及び図１４（Ｂ）に示すように、下地絶縁膜として酸化アルミニウム膜を設けた実施例のトランジスタ１８０は、条件１乃至条件４のゲートＢＴストレス試験において、特性変動が少ないことがわかる。
【０１８８】
図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、及び図１６（Ａ）に示すように、下地絶縁膜を設けない比較例のトランジスタ１９０は、条件１乃至条件３のゲートＢＴストレス試験において、特性変動が少ないが、図１６（Ｂ）に示すように、条件４のゲートＢＴストレス試験において、トランジスタの特性変動が確認された。
【０１８９】
以上のように、実施例のトランジスタ１８０は、下地絶縁膜１０４として酸化アルミニウム膜を設けることにより、下地絶縁膜１０４を設けない比較例のトランジスタ１９０と比べて、トランジスタの信頼性が向上することが確認された。特に、条件４として評価したフォト環境、マイナスＢＴ試験によるトランジスタの信頼性向上が顕著に確認された。
【実施例４】
【０１９０】
本実施例は、先の実施例３で説明したトランジスタ１８０、及びトランジスタ１９０と同一基板上に作製した不純物分析用の試料について、図１７を用いて説明する。
【０１９１】
図１７（Ａ）は、トランジスタ１８０と同一基板上に作製した試料であり、ガラス基板１０２と、ガラス基板１０２上に形成された下地絶縁膜１０４と、下地絶縁膜１０４上に形成されたゲート絶縁膜１０８と、ゲート絶縁膜１０８上に形成された層間絶縁膜１１６と、層間絶縁膜１１６上に形成された平坦化絶縁膜１１８が形成されている。なお、図１７（Ａ）に示す構成を試料８とする。
【０１９２】
また、図１７（Ｂ）は、トランジスタ１９０と同一基板上に作製した試料であり、ガラス基板１０２と、ガラス基板１０２上に形成されたゲート絶縁膜１０８と、ゲート絶縁膜１０８上に形成された層間絶縁膜１１６と、層間絶縁膜１１６上に形成された平坦化絶縁膜１１８が形成されている。なお、図１７（Ｂ）に示す構成を試料９とする。
【０１９３】
また、各構成要素の詳細については、先の実施例３に記載した内容と同様のため、省略する。
【０１９４】
なお、図１７（Ａ）、及び図１７（Ｂ）に示す不純物分析用試料（試料８、及び試料９）は、トランジスタ形成中において、ゲート電極１０６、酸化物半導体膜１１０、ソース電極１１４ａ、及びドレイン電極１１４ｂを除去することで、形成された試料である。このようにトランジスタ形成中に、分析用の試料を同時に作製することで、実際のトランジスタに与える不純物の影響を確認することができる。
【０１９５】
次に、試料８、及び試料９のＳＩＭＳ分析を行い、ガラス基板中に含まれる金属元素について、評価を行った。ガラス基板中に含まれる金属元素としては、ナトリウム（Ｎａ）に着目し評価した。試料８のＳＩＭＳ分析結果を図１８（Ａ）に、試料９のＳＩＭＳ分析結果を図１８（Ｂ）にそれぞれ示す。なお、本実施例のＳＩＭＳ分析においては、ガラス基板近傍の不純物を評価するため、層間絶縁膜１１８内の不純物については、未評価とした。
【０１９６】
また、図１８（Ａ）、及び図１８（Ｂ）は、横軸が深さ［ｎｍ］を、縦軸がナトリウム（Ｎａ）濃度を、それぞれ表している。なお、本実施例のＳＩＭＳ分析結果は、酸化シリコン膜の標準試料により定量した結果を示している。
【０１９７】
図１８（Ａ）に示すように、下地絶縁膜１０４として、酸化アルミニウムを設けることにより、ガラス基板中に含まれる金属元素の一であるナトリウム（Ｎａ）をゲート絶縁膜１０８中に拡散するのを防止していることが確認できる。また、下地絶縁膜１０４の表面から３ｎｍ以下の領域において、ガラス基板中に含まれる金属元素の一であるナトリウム（Ｎａ）の濃度が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが確認できる。
【０１９８】
一方、図１８（Ｂ）に示すように、下地絶縁膜１０４を設けない構成においては、ガラス基板中に含まれる金属元素の一であるナトリウム（Ｎａ）がゲート絶縁膜１０８中に拡散していることが確認できる。
【０１９９】
以上のように、下地絶縁膜として、酸化アルミニウム膜を設けることで、ガラス基板中に含まれる金属元素をゲート絶縁膜中に拡散することを防止できることが確認された。
【符号の説明】
【０２００】
１０２    基板
１０４    下地絶縁膜
１０６    ゲート電極
１０８    ゲート絶縁膜
１０８ａ  第１のゲート絶縁膜
１０８ｂ  第２のゲート絶縁膜
１１０    酸化物半導体膜
１１１    絶縁膜
１１２    保護絶縁膜
１１４ａ  ソース電極
１１４ｂ  ドレイン電極
１１６    層間絶縁膜
１１８    平坦化絶縁膜
１５０，１６０，１７０，１８０，１９０    ボトムゲート構造のトランジスタ
５０２    ガラス基板
５０３ａ，５０３ｂ  酸化シリコン膜
５０４ａ，５０４ｂ  酸化アルミニウム膜
【図１】
2013183001.tif 000005
【図２】
2013183001.tif 000006
【図３】
2013183001.tif 000007
【図４】
2013183001.tif 000008
【図５】
2013183001.tif 000009
【図６】
2013183001.tif 000010
【図７】
2013183001.tif 000011
【図８】
2013183001.tif 000012
【図９】
2013183001.tif 000013
【図１０】
2013183001.tif 000014
【図１１】
2013183001.tif 000015
【図１２】
2013183001.tif 000016
【図１３】
2013183001.tif 000017
【図１４】
2013183001.tif 000018
【図１５】
2013183001.tif 000019
【図１６】
2013183001.tif 000020
【図１７】
2013183001.tif 000021
【図１８】
2013183001.tif 000022